JP2008096076A - Stirling engine, regenerator for stirling engine, and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スターリングサイクルを構成するスターリング機関に関する。また本発明は、スターリング機関、特にスターリング冷凍機に用いられて作動ガスとの間で熱を授受するスターリング機関用再生器及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a Stirling engine that constitutes a Stirling cycle. The present invention also relates to a Stirling engine, particularly a Stirling engine regenerator that is used in a Stirling refrigerator and transfers heat to and from a working gas, and a method for manufacturing the same.
スターリング機関はヘリウム、水素、窒素等を作動ガスとして用い、フロンを作動ガスとして用いないため、オゾン層の破壊を招くことのない熱機関として注目を集めている。スターリング機関はリニアモータ等により駆動されるピストン及びディスプレーサを有し、往復運動するピストンに対して所定の位相差でディスプレーサが往復運動する。これにより、ピストンとディスプレーサとの間に形成される圧縮空間と、ディスプレーサの先端に形成される膨張空間との間を作動ガスが流通してスターリングサイクルが運転される。 Since the Stirling engine uses helium, hydrogen, nitrogen or the like as the working gas and does not use Freon as the working gas, it attracts attention as a heat engine that does not cause destruction of the ozone layer. The Stirling engine has a piston and a displacer driven by a linear motor or the like, and the displacer reciprocates with a predetermined phase difference with respect to the reciprocating piston. As a result, the working gas flows between the compression space formed between the piston and the displacer and the expansion space formed at the tip of the displacer, and the Stirling cycle is operated.
ピストンを内嵌するシリンダの周囲には断面環状のガス通路が形成され、ガス通路を介して圧縮空間と膨張空間との間を作動ガスが流通する。ガス通路内には作動ガスとの間で熱を授受する再生器が設けられ、再生器の両端には外気と熱交換する熱交換器が隣接する。圧縮空間では等温圧縮変化によって作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間では等温膨脹変化によって作動ガスの温度が降下する。 A gas passage having an annular cross section is formed around the cylinder in which the piston is fitted, and the working gas flows between the compression space and the expansion space via the gas passage. A regenerator that transfers heat to and from the working gas is provided in the gas passage, and heat exchangers that exchange heat with outside air are adjacent to both ends of the regenerator. In the compression space, the temperature of the working gas increases due to the isothermal compression change, and in the expansion space, the temperature of the working gas decreases due to the isothermal expansion change.
圧縮空間の熱は圧縮空間側の熱交換器を介して大気中へ放出され、作動ガスは膨張空間と圧縮空間との間に設けられた再生器に熱を蓄積して膨張空間へ移動する。再生器により冷却された作動ガスは低温側となる膨張空間で膨張されることによって更に冷却され、膨張空間側の熱交換器を介して外気の熱を奪う。そして、作動ガスが膨張空間から圧縮空間へ移動する際に再生器に蓄えられた熱を奪って再生器を冷却する。この動作を繰り返してスターリングサイクルが行われるようになっている。 The heat in the compression space is released into the atmosphere through a heat exchanger on the compression space side, and the working gas accumulates heat in a regenerator provided between the expansion space and the compression space and moves to the expansion space. The working gas cooled by the regenerator is further cooled by being expanded in the expansion space on the low temperature side, and takes the heat of the outside air through the heat exchanger on the expansion space side. Then, when the working gas moves from the expansion space to the compression space, the heat stored in the regenerator is taken and the regenerator is cooled. The Stirling cycle is performed by repeating this operation.
特許文献1、2には従来の再生器が開示されている。この再生器は帯状のフィルム部材が円筒体に空隙を介して多重に巻回されている。空隙はシート部材の表面に設けた微小な突起が隣接する層に当接して形成される。作動ガスは空隙内を軸方向に流通してフィルム部材との熱交換により熱を回収する。
しかしながら上記従来のスターリング機関によると、再生器を形成するフィルム部材を裁断する際に応力が残留し、高温になると残留応力が開放されて再生器が変形する場合があった。これにより、再生器の圧力損失が変化してスターリング機関による運転効率が低下する問題があった。また、突起形成前のフィルム部材がロール状に巻回され、突起形成後のフィルム部材が再度巻回される。このため、再生器の製造コストがかかる問題もあった。 However, according to the above-mentioned conventional Stirling engine, when the film member forming the regenerator is cut, the stress remains, and when the temperature becomes high, the residual stress is released and the regenerator may be deformed. As a result, the pressure loss of the regenerator changes and there is a problem that the operating efficiency of the Stirling engine is lowered. Moreover, the film member before protrusion formation is wound in roll shape, and the film member after protrusion formation is wound again. For this reason, there was also a problem that the production cost of the regenerator was high.
本発明は冷却効率を向上できるスターリング機関を提供することを目的とする。また、本発明は、コスト削減を図ることができるとともにスターリング機関の運転効率を向上できるスターリング機関用再生器及びその製造方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the Stirling engine which can improve cooling efficiency. Another object of the present invention is to provide a regenerator for a Stirling engine that can reduce costs and improve the operating efficiency of the Stirling engine, and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するために本発明は、圧縮空間と膨脹空間との間に設けられた断面環状のガス通路内に配されて前記ガス通路を流通する作動ガスとの間で熱を授受するスターリング機関用再生器を備えたスターリング機関において、前記スターリング機関用再生器は原反から裁断された帯状のフィルム部材を空隙を介して多重に巻回して形成され、前記フィルム部材の一方の側端は切刃の前記フィルム部材に垂直な垂直面で切断され、他方の側端は前記切刃の前記フィルム部材に対して傾斜した傾斜面で切断されるとともに、前記スターリング機関用再生器の前記傾斜面で切断した側を膨張空間側に配置したことを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present invention provides a Stirling that transfers heat to and from a working gas that is disposed in a gas passage having an annular cross section provided between a compression space and an expansion space and flows through the gas passage. In a Stirling engine equipped with an engine regenerator, the Stirling engine regenerator is formed by winding a strip-shaped film member cut from a raw fabric multiple times through a gap, and one side end of the film member is The cutting blade is cut by a vertical surface perpendicular to the film member, and the other side edge is cut by an inclined surface inclined with respect to the film member of the cutting blade, and the inclined surface of the Stirling engine regenerator It is characterized in that the side cut by the step is arranged on the expansion space side.
この構成によると、圧縮空間と膨脹空間との間に配されるスターリング機関用再生器は両側端を切刃により裁断された帯状のフィルム部材を巻回して形成される。切刃は刃先が垂直面と傾斜面を有した尖鋭に形成され、フィルム部材の両側端を切断する。この時、フィルム部材の一方の側端は垂直面で切断され、他方の側端は傾斜面で切断される。そして、傾斜面で切断された側が膨張空間側に配される。 According to this configuration, the Stirling engine regenerator disposed between the compression space and the expansion space is formed by winding a band-shaped film member having both side ends cut by a cutting blade. The cutting edge is sharply formed with a cutting edge having a vertical surface and an inclined surface, and cuts both side ends of the film member. At this time, one side end of the film member is cut by a vertical surface, and the other side end is cut by an inclined surface. And the side cut | disconnected by the inclined surface is distribute | arranged to the expansion space side.
また本発明は、原反から裁断された帯状のフィルム部材を空隙を介して多重に巻回して形成され、スターリング機関の圧縮空間と膨脹空間との間に設けられた断面環状のガス通路内に配されて前記ガス通路を流通する作動ガスとの間で熱を授受するスターリング機関用再生器において、前記フィルム部材の一方の側端は切刃の前記フィルム部材に垂直な垂直面で切断され、他方の側端は前記切刃の前記フィルム部材に対して傾斜した傾斜面で切断されることを特徴としている。 Further, the present invention is formed by wrapping a strip-shaped film member cut from a raw fabric multiple times through a gap, and in a gas passage having an annular cross section provided between a compression space and an expansion space of a Stirling engine. In the Stirling engine regenerator that is arranged and receives heat from the working gas flowing through the gas passage, one side end of the film member is cut by a vertical plane perpendicular to the film member of the cutting blade, The other side end is cut by an inclined surface inclined with respect to the film member of the cutting blade.
また本発明は上記構成のスターリング機関用再生器において、前記傾斜面で切断した側を判別可能な目印を設けたことを特徴としている。この構成によると、目印により判別して切刃の傾斜面で切断された側を膨張空間側に配することができる。目印は傾斜面で切断した側に設けてもよく、垂直面で切断した側に設けてもよい。 According to the present invention, in the regenerator for a Stirling engine having the above-described configuration, a mark that can distinguish the side cut by the inclined surface is provided. According to this configuration, the side cut by the inclined surface of the cutting blade determined by the mark can be arranged on the expansion space side. The mark may be provided on the side cut by the inclined surface, or may be provided on the side cut by the vertical surface.
また本発明は、スターリング機関の圧縮空間と膨脹空間との間に設けられた断面環状のガス通路内に配されて前記ガス通路を流通する作動ガスとの間で熱を授受するスターリング機関用再生器の製造方法において、
並設された複数の切刃によって樹脂フィルム原反から複数の帯状のフィルム部材を裁断する裁断工程と、
前記樹脂フィルム原反または前記フィルム部材に突起を形成する突起形成工程と、
前記突起が形成された前記フィルム部材を筒状の巻芯に巻回する巻回工程とを備え、
前記切刃の刃先は前記樹脂フィルム原反に垂直な垂直面と、前記垂直面に対して傾斜して形成される傾斜面とを有して尖鋭に形成され、複数の前記切刃の前記傾斜面が平行に配置されることを特徴としている。
The present invention also relates to a regeneration for a Stirling engine that is arranged in a gas passage having an annular cross section provided between a compression space and an expansion space of the Stirling engine and transfers heat to and from the working gas flowing through the gas passage. In the manufacturing method of the vessel,
A cutting step of cutting a plurality of strip-shaped film members from the resin film original fabric by a plurality of cutting blades arranged in parallel;
A protrusion forming step of forming protrusions on the resin film original fabric or the film member;
A winding step of winding the film member on which the protrusion is formed around a cylindrical core;
The cutting edge of the cutting blade has a vertical surface perpendicular to the original film of the resin film and an inclined surface formed to be inclined with respect to the vertical surface, and is sharply formed, and the inclination of a plurality of the cutting blades The surface is arranged in parallel.
この構成によると、樹脂フィルム原反は所定速度で送られ、裁断工程で送りに垂直な方向に並設される複数の切刃によって複数の帯状のフィルム部材により裁断される。裁断されたフィルム部材は突起形成工程で針状部材の押圧等によって多数の突起が形成される。裁断前の樹脂フィルム原反に突起を形成してもよい。突起を形成されたフィルム部材は巻回工程で巻芯に巻回され、フィルム部材を突起による空隙を有して多層に巻回したスターリング機関用再生器が得られる。裁断工程に用いられる切刃は刃先が垂直面と傾斜面を有した尖鋭に形成され、各切刃の傾斜面が平行に配される。これにより、フィルム部材は一方の側端が垂直面で切断され、他方の側端が傾斜面で切断される。 According to this configuration, the resin film original is fed at a predetermined speed, and is cut by the plurality of strip-shaped film members by the plurality of cutting blades arranged in parallel in the direction perpendicular to the feed in the cutting process. The cut film member is formed with a number of protrusions by pressing the needle-like member in the protrusion forming step. You may form a processus | protrusion in the resin film original fabric before cutting. The film member on which the protrusion is formed is wound around the core in the winding process, and a regenerator for a Stirling engine is obtained in which the film member is wound in multiple layers with gaps due to the protrusion. The cutting blade used in the cutting process is sharply formed with a cutting edge having a vertical surface and an inclined surface, and the inclined surfaces of the cutting blades are arranged in parallel. Thereby, as for a film member, one side end is cut | disconnected by a vertical surface, and the other side end is cut | disconnected by an inclined surface.
また本発明は上記構成のスターリング機関用再生器の製造方法において、巻回された前記フィルム部材の前記傾斜面で切断した側を判別可能な目印を付す目印付加工程を設けたことを特徴としている。 Further, the present invention is characterized in that in the method for manufacturing a regenerator for a Stirling engine having the above-described configuration, a mark adding step for adding a mark capable of distinguishing the side cut by the inclined surface of the wound film member is provided. .
また本発明は上記構成のスターリング機関用再生器の製造方法において、前記樹脂フィルム原反を送出して前記巻回工程で巻回しながら、前記裁断工程と前記突起形成工程とを連続して行うことを特徴としている。この構成によると、樹脂フィルム原反は送出により引き出された状態で裁断及び突起形成が行われた後、巻回される。 In the manufacturing method of the regenerator for a Stirling engine having the above-described configuration, the cutting step and the protrusion forming step are continuously performed while feeding the resin film and winding in the winding step. It is characterized by. According to this configuration, the resin film original fabric is wound after being cut and formed with protrusions while being pulled out by feeding.
本発明のスターリング機関によると、切刃により裁断されるフィルム部材を巻回したスターリング機関用再生器が切刃の傾斜面で切断した側を膨張空間側に配置されるので、傾斜面によってフィルム部材に応力が残留しても低温に維持されるため残留応力が開放されない。これにより、スターリング機関用再生器の変形による圧力損失の変化を防止し、高い運転効率を維持することができる。 According to the Stirling engine of the present invention, since the Stirling engine regenerator wound with the film member cut by the cutting blade is disposed on the expansion space side on the side of the cutting blade, the film member is formed by the inclined surface. Even if stress remains, the residual stress is not released because it is maintained at a low temperature. Thereby, the change of the pressure loss by deformation | transformation of the regenerator for Stirling engines can be prevented, and high operating efficiency can be maintained.
また、本発明のスターリング機関用再生器によると、切刃により裁断されるフィルム部材は一方の側端が切刃の垂直面で切断され、他方の側端が傾斜面で切断されるため、傾斜面で切断した側をスターリング機関の膨張空間側に配置することにより、運転効率の高いスターリング機関を得ることができる。 According to the Stirling engine regenerator of the present invention, the film member cut by the cutting blade has one side edge cut by the vertical surface of the cutting blade and the other side edge cut by the inclined surface. By arranging the side cut by the surface on the expansion space side of the Stirling engine, a Stirling engine with high operating efficiency can be obtained.
また、本発明のスターリング機関用再生器によると、傾斜面で切断した側を判別可能な目印を設けたので、傾斜面で切断した側をスターリング機関の膨張空間側に簡単に配置することができる。 Further, according to the regenerator for Stirling engine of the present invention, since the mark that can distinguish the side cut by the inclined surface is provided, the side cut by the inclined surface can be easily arranged on the expansion space side of the Stirling engine. .
また、本発明のスターリング機関用再生器の製造方法によると、樹脂フィルム原反を裁断する切刃が傾斜面を平行に並設されるため、一方の側端が切刃の垂直面で切断され、他方の側端が傾斜面で切断された複数のフィルム部材を簡単に得ることができる。 Further, according to the manufacturing method of the regenerator for Stirling engine of the present invention, since the cutting blade for cutting the resin film raw material is arranged in parallel with the inclined surface, one side end is cut by the vertical surface of the cutting blade. A plurality of film members having the other side edge cut by the inclined surface can be easily obtained.
また、本発明のスターリング機関用再生器の製造方法によると、巻回されたフィルム部材の傾斜面で切断した側を判別可能な目印を付す目印付加工程を設けたので、傾斜面で切断した側をスターリング機関の膨張空間側に簡単に配置することができる。 In addition, according to the method for manufacturing a regenerator for a Stirling engine of the present invention, since the mark adding step for attaching the mark for distinguishing the side cut by the inclined surface of the wound film member is provided, the side cut by the inclined surface Can be easily arranged on the expansion space side of the Stirling engine.
また、本発明のスターリング機関用再生器の製造方法によると、樹脂フィルム原反を送出して巻回工程で巻回しながら、裁断工程と突起形成工程とを連続して行うので、裁断後に巻回する必要がなく、スターリング機関用再生器の製造コストを削減することができる。 Further, according to the manufacturing method of the regenerator for Stirling engine of the present invention, the cutting process and the protrusion forming process are continuously performed while feeding the resin film raw material and winding it in the winding process. Therefore, the manufacturing cost of the regenerator for Stirling engine can be reduced.
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図1は第1実施形態のスターリング機関を示す断面図である。スターリング機関1は冷凍機として用いられるフリーピストンタイプのものであり、軸方向に並設されるシリンダ10、11を有している。シリンダ10にはピストン12が挿入され、シリンダ11にはディスプレーサ13が挿入される。ピストン12及びディスプレーサ13は、シリンダ10、11内に充填される作動ガスによるガスベアリングによってスターリング機関1の運転中にシリンダ10、11の内壁に接触することなく往復運動する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the Stirling engine of the first embodiment. The Stirling
ピストン12の一方の端にはカップ状のマグネットホルダ14が固定される。マグネットホルダ21の開口側の先端にはマグネット24が取り付けられる。シリンダ11にはマグネット24に対峙する外側ヨーク22及び内側ヨーク23が保持される。外側ヨーク22を囲む管体25、外側ヨーク22及び内側ヨーク23は合成樹脂製のエンドブラケット26、27により所定の位置関係に保持される。外側ヨーク22はコイル21が巻回され、コイル21に通電することによりマグネット24と一体のピストン12が往復運動する。これにより、ピストン12を駆動するリニアモータ20が構成される。
A cup-shaped
ディスプレーサ13の一端にはディスプレーサ軸15が突出している。ディスプレーサ軸15はピストン12及びマグネットホルダ14を貫通し、ディスプレーサ13がピストン12と独立にスライド可能になっている。ディスプレーサ軸15には板バネ31の中心部が固定され、マグネットホルダ14には板バネ30の中心部が固定される。スプリング30、31は円板形の素材にスパイラル状の切り込みを入れて形成される。板バネ30、31の外周部はスペーサ32を介して所定間隔離れて連結され、エンドブラケット27に固定される。
A
これにより、ディスプレーサ13の慣性力によってピストン12に対して所定の位相差でディスプレーサ13が往復運動する。その結果、ディスプレーサ13とピストン12との間には作動ガスを圧縮する圧縮空間45が形成され、ディスプレーサ13の先端には作動ガスを膨張する膨張空間46が形成される。
Accordingly, the
シリンダ11のディスプレーサ13の動作領域にあたる部分の外側には高温側伝熱ヘッド40と低温側伝熱ヘッド41が配置される。高温側伝熱ヘッド40はリング状に形成され、低温側伝熱ヘッド41はキャップ状に形成される。いずれも銅や銅合金など熱伝導の良い金属から成っている。
A high temperature side
高温側伝熱ヘッド40及び低温側伝熱ヘッド41の内側にはそれぞれリング状の高温側内部熱交換器42及び低温側内部熱交換器43が装着される。高温側内部熱交換器42と低温側内部熱交換器43はそれぞれ通気性を有し、内部を通り抜ける作動ガスの熱を高温側伝熱ヘッド40と低温側伝熱ヘッド41に伝える。高温側内部熱交換器42と低温側内部熱交換器43は、例えば銅や銅合金の薄板をコルゲート加工した後に圧縮して形成される。
Inside the high temperature side
高温側伝熱ヘッド40と低温側伝熱ヘッド41はこのように高温側内部熱交換器42と低温側内部熱交換器43を介在させた形でシリンダ11の外側に支持される。そして高温側伝熱ヘッド40にはシリンダ10及び圧力容器50が連結される。
The high temperature side
圧縮空間45は高温側伝熱ヘッド40、シリンダ10、11、ピストン12、ディスプレーサ13、ディスプレーサ軸15及び高温側内部熱交換器42で囲まれる環状の空間から成る。膨張空間46は低温側伝熱ヘッド41、シリンダ11、ディスプレーサ13及び低温側内部熱交換器43で囲まれる空間から成る。
The
高温側内部熱交換器42と低温側内部熱交換器43の間には再生器70が配置される。再生器70の外側を再生器チューブ48が包み、高温側伝熱ヘッド40と低温側伝熱ヘッド41の間に気密通路を構成する。再生器チューブ48は、例えばステンレス鋼で形成することができる。
A
リニアモータ20、シリンダ10、及びピストン12を覆う筒状の圧力容器50を形成する。圧力容器50の内部は背圧空間51となる。圧力容器50は高温側伝熱ヘッド40に接合されるリング状部52と、このリング状部52に接合されるキャップ状部53とに2分割されている。リング状部52、キャップ状部53ともステンレス鋼製である。リング状部52の一端はテーパ状に絞り込まれ、高温側伝熱ヘッド40にロウ付けされる。キャップ状部53はパイプの内面に鏡板53aを溶接した構造である。
A
リング状部52の他端と、これに向かい合うキャップ状部53の開口端には、フランジ形状部54、55が設けられる。フランジ形状部54、55はいずれもステンレス鋼製のリングをリング状部52とキャップ状部53に溶接して形成されるものであり、フランジ形状部54、55を溶接して密閉状態の圧力容器50を形成する。
Flange-shaped
圧力容器50にはリニアモータ20に電力を供給するための端子部28と、内部に作動ガスを封入するためのパイプ50aが配置される。これらはいずれもキャップ状部53の外周面から放射方向に突出するように設けられる。
The
圧力容器50には振動抑制装置60が取り付けられる。振動抑制装置60は圧力容器50に固定されるベース61と、ベース61に支持される板状のスプリング62と、スプリング62に支持されるバランスウェイト63とから成る。ピストン12とディスプレーサ13が往復運動して作動ガスが移動すると、スターリング機関1に振動が生じる。振動抑制装置60はこの振動を抑える。
A
上記構成のスターリング機関1において、リニアモータ20のコイル21に交流電流を供給すると外側ヨーク22と内側ヨーク23の間にマグネット24を貫通する磁界が発生する。これにより、マグネット24は軸方向に往復する。ピストン系(ピストン12、マグネットホルダ14、マグネット24、及びスプリング30)の総質量と、スプリング30のバネ定数と、により定まる共振周波数に一致する周波数の電力を供給することにより、ピストン系は滑らかな正弦波状の往復運動を開始する。
In the
ディスプレーサ系(ディスプレーサ13、ディスプレーサ軸15、及びスプリング31)は、その総質量と、スプリング31のバネ定数とにより定まる共振周波数がピストン12の駆動周波数に共振するよう設定する。
The displacer system (
ピストン12の往復運動により、圧縮空間45では圧縮、膨脹が繰り返される。この圧力の変化に伴って、ディスプレーサ13も往復運動を行う。このとき、圧縮空間45と膨脹空間46との間の流動抵抗等により、ディスプレーサ13とピストン12との間には位相差が生じる。このようにしてフリーピストン構造のディスプレーサ13はピストン12と所定の位相差を有して同期して振動する。
By the reciprocating motion of the
上記の動作により、圧縮空間45と膨脹空間46との間に逆スターリングサイクルが形成される。圧縮空間45では作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間46では作動ガスの温度が低下する。運転中に圧縮空間45と膨張空間46の間を行き来する作動ガスは、高温側内部熱交換器42を通過する際に熱を高温側伝熱ヘッド40に伝える。また、低温側内部熱交換器43を通過する際に熱を低温側伝熱ヘッド41に伝える。
By the above operation, an inverse Stirling cycle is formed between the
圧縮空間45から再生器70へ流れ込む作動ガスは高温であるため高温側伝熱ヘッド40は加熱され、高温側伝熱ヘッド40はウォームヘッドとなる。膨張空間46から再生器70へ流れ込む作動ガスは低温であるため低温側伝熱ヘッド41は冷却され、低温側伝熱ヘッド41はコールドヘッドとなる。高温側伝熱ヘッド40より熱を大気へ放散し、低温側伝熱ヘッド41で特定空間の温度を下げることにより、スターリング機関1は冷凍機関としての機能を果たす。
Since the working gas flowing into the regenerator 70 from the
再生器70は、圧縮空間45と膨張空間46の熱を相手側の空間には伝えず、作動ガスだけを通す働きをする。圧縮空間45から高温側内部熱交換器42を経て再生器70に入った高温の作動ガスは、再生器70を通過するときにその熱を再生器70に与える。そして、作動ガスは温度が下がった状態で膨張空間46に流入する。膨張空間46から低温側内部熱交換器43を経て再生器70に入った低温の作動ガスは、再生器70を通過するときに再生器70から熱を回収する。そして、作動ガスは温度が上がった状態で圧縮空間45に流入する。即ち、再生器70は蓄熱手段としての役割を果たす。
The regenerator 70 functions to pass only the working gas without transferring the heat of the
図2は再生器の断面図を示している。再生器70は円筒形の巻芯71を有し、巻芯71の外周面に樹脂製のフィルム部材72を巻回した樹脂フィルム巻回積層体73が設けられる。巻芯71はシリンダ11の外周面に対してしまりばめとなる内径を有する。巻芯71の材料は作動ガスのもたらす温熱又は冷熱に耐えて長期間使用できるものであれば何でもよいが、強度、断熱性、製造コスト等を考慮して合成樹脂が通常使用される。
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the regenerator. The
尚、図中、Hはスターリング機関1に組み込まれた時に圧縮空間側となり、Lは膨張空間側になる。再生器70には圧縮空間側及び膨張空間側を判別できる目印が付されている。目印は軸方向の一端に設けてもよく、矢印等によって中央部に設けてもよい。
In the figure, H is the compression space side when incorporated in the
図3は樹脂フィルム巻回積層体73を示す斜視図である。フィルム部材72はポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド、ポリスチレン、ナイロン、PTFE、PBT等のフィルムを使用することができる。PETは安価で再生器としての性能に優れるためより好ましい。
FIG. 3 is a perspective view showing the resin
フィルム部材72の表面には片面に多数の突起74が点在されている。これにより、樹脂フィルム巻回積層体73の層間に作動ガスを通す間隔が確保される。突起74は後述する製造方法によりフィルム部材72自体を塑性変形させることにより形成される。
A large number of projections 74 are scattered on one surface of the
図4は再生器70を形成する再生器形成装置を示している。再生器形成装置100は、両端にフィルムフィーダ113及びフィルム巻き取り装置116を有している。フィルムフィーダ113には樹脂フィルム原反8が取り付けられ、フィルム巻き取り装置116には巻芯71が取り付けられる。
FIG. 4 shows a regenerator forming apparatus that forms the
後述するように樹脂フィルム原反8は所定幅の帯状の複数のフィルム部材72に裁断され、フィルム巻き取り装置116によって巻芯71に巻回される。これにより、フィルム部材72を巻回する巻回工程が構成される。尚、図を簡単に描くためフィルム巻き取り装置116は複数個の巻芯71を一直線状に並べているが、巻芯71は交互に段違いに配置されている。これにより、隣接する巻芯71間の干渉が防止される。
As will be described later, the raw resin film 8 is cut into a plurality of strip-shaped
フィルムフィーダ113とフィルム巻き取り装置116との間には送りローラ112、115が配置される。送りローラ112、115はそれぞれ2本一組でフィルム部材72を上下から挟む。これにより、樹脂フィルム原反8及びフィルム部材72に所定の間欠送りを与える。
フィルムフィーダ113の後段にはスリッター装置120が配置される。スリッター装置120は回転可能な上刃121と下刃122から構成される。上刃121と下刃122の間を幅広の樹脂フィルム原反8が通過することにより、樹脂フィルム原反8が所定の幅で裁断される。これにより、樹脂フィルム原反8を裁断して複数のフィルム部材72を得る裁断工程が構成される。
A
スリッター装置120の後段には突起形成装置101が配置される。突起形成装置101はフィルム部材72を下から支えるプラテン104と、プラテン104に支えられたフィルム部材72に対して所定のタイミングで上方より接近するラム103とを備える。ラム103の下面からは複数のニードルピン102が突設される。
A
ニードルピン102はフィルム部材72の送り方向と直交する方向に一列または複数列に並ぶ(同図では1列)。プラテン104にはニードルピン102に対応する位置に孔(不図示)が設けられており、ニードルピン102が降下するとその孔の中にフィルム部材72が押し込まれてニードルピン102がフィルム部材72を貫通する。
The needle pins 102 are arranged in one or a plurality of rows in the direction orthogonal to the feeding direction of the film member 72 (one row in the figure). The
これにより、フィルム部材72が塑性変形され、多数の突起74が形成される。従って、フィルム部材72に突起74を形成する突起形成工程が構成される。尚、突起形成装置101をスリッター装置120の前段に配置して樹脂フィルム原反8に突起74を形成してもよい。
Thereby, the
送りローラ112、115は突起形成装置101の後段に配され、これらの間にはレベリングブロック114が配置される。レベリングブロック114は上ブロック114aと下ブロック114bを所定間隔で向かい合わせに配置して成る。突起形成後のフィルム部材72を上ブロック114aと下ブロック114bの間に通すことにより、突起74の高さが一定に揃う。これにより、樹脂フィルム巻回積層体73の層間間隔のバラつきを小さくすることができる。
The
図5はスリッター装置120の詳細な構成を示す正面図である。上刃121(切刃)は上刃回転軸123と、上刃回転軸123に設けられた複数の刃台124と、上片刃125とから成っている。下刃122は下刃回転軸126と、下刃回転軸126に設けられた複数の刃台127と、下片刃128とから成っている。
FIG. 5 is a front view showing a detailed configuration of the
上片刃125の刃先はフィルム部材72に垂直な垂直部130と、垂直部130に対して傾斜する傾斜部129とを有して尖鋭に形成される。また、複数の上片刃125の傾斜部129が平行に配置されている。下片刃128の刃先は上片刃125の垂直部130と摺動し、先端がフィルム部材72に略平行な平坦面になっている。このような構成により、樹脂フィルム原反8が上刃121と下刃122で裁断され所定の幅にカットされたフィルム部材72になる。
The cutting edge of the upper
図6はスリッター装置120とフィルム巻き取り装置116の関係に示す模式図である。理解を容易にするため、突起形成部等の他の構成を省いている。上刃121と下刃122で裁断されたフィルム部材72はフィルム巻き取り装置116により巻芯71に巻き取られる。この時、フィルム部材72の上刃の傾斜部129で裁断された側は巻芯71のL側、上刃の垂直部130で裁断された側は巻芯71のH側となるように巻き取られる。巻芯71のH側とL側は目印付加工程によって目印(不図示)が付加されている。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the relationship between the
このように形成された再生器70は巻芯のH側が図1に示す圧縮空間45側に配され、L側が膨張空間46側に配される。これにより、後述するようにスターリング機関1は長時間使用した場合においても性能劣化が少なく安定した性能を得られる。
In the
図7はフィルム部材72の裁断時の詳細を示す図である。同図に示すように、上片刃125の傾斜部129で切断されるフィルム部材72の端部91には、垂直部130で切断される側よりも大きな残留応力140(図中、斜線で示す)が発生する。この端部91が圧縮空間45側の高温に曝されると残留応力から開放され、端部にシワ等の変形が発生する。
FIG. 7 is a diagram showing details when the
このため、再生器70のH側とL側を逆にしてスターリング機関に組み込むと、フィルム部材72の変形によって樹脂フィルム積層体73の層間隔のバラツキが大きくなる。これにより、作動ガスが再生器79を均一に通過しなくなって圧力損失が変化するとともに、再生器70と作動ガスとの熱交換性能が低下する。
For this reason, when the H side and the L side of the
例えば、層間隔のバラツキが大きくなると樹脂フィルム積層体73の層間隔が大きい部分に作動ガスがより多く流れ、層間隔が小さい部分には作動ガスが流れにくくなる。これにより、再生器70全体で有効に熱交換できなくなってしまうため、熱交換性能が低下する。従って、このスターリング機関は時間経過とともに冷却性能が劣化する。
For example, when the variation in the layer spacing increases, the working gas flows more in the portion where the layer spacing of the
尚、一般的に本実施形態に示すスターリング機関1において作動ガスが再生器70を通過する際の圧力損失には適正値があり、圧力損失がこの適正値からずれるとピストン12とディスプレーサー13との位相差が所定の値から変化して性能が劣化する。従って、圧力損失が変化するとスターリング機関1の性能の劣化をもたらす。また再生器70と作動ガスとの熱交換性能の劣化はスターリングサイクルの再生熱損失の増大となり、これも性能劣化の原因となる。
In general, in the
従って、本実施形態のように上刃121の傾斜部129で切断してフィルム部材72の残留応力が大きい再生器70のL側を低温の膨張空間46側に配することにより、性能劣化を防止することができる。
Therefore, performance degradation is prevented by cutting the
本実施形態によると、上刃121及び下刃122により裁断されるフィルム部材72を巻回した再生器70が上刃121の傾斜面129で切断した側を膨張空間46側に配置されるので、傾斜面129によってフィルム部材72に応力が残留しても低温に維持されるため残留応力が開放されない。これにより、再生器70の変形による圧力損失の変化を防止し、高い運転効率を維持することができる。
According to the present embodiment, the
また、樹脂フィルム原反8を裁断する複数の上刃121が傾斜面129を平行に並設されるため、一方の側端が上刃121の垂直面130で切断され、他方の側端が傾斜面129で切断された複数のフィルム部材72を簡単に得ることができる。
Also, since the plurality of
また、再生器形成装置100によって樹脂フィルム原反8を送出して巻回工程で巻回しながら、裁断工程と突起形成工程とを連続して行うので、裁断後に巻回する必要がなく、再生器70の製造コストを削減することができる。 In addition, since the raw material film 8 is sent out by the regenerator forming apparatus 100 and wound in the winding process, the cutting process and the protrusion forming process are continuously performed, so there is no need to wind after cutting, and the regenerator The manufacturing cost of 70 can be reduced.
以上、本発明の実施形態につき説明したが、発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに種々の変更を加えて実施することができる。例えば本実施形態において、スリット装置120は上刃121及び下刃122によって裁断しているが、これらに限定されない。例えば、カッターの刃先のように傾斜面を有する切刃等どのような切断方法においても同様な効果が得られることは明白である。
Although the embodiments of the present invention have been described above, various modifications can be made without departing from the spirit of the invention. For example, in the present embodiment, the
また、本実施形態ではフィルム部材72の裁断方法を刃先の傾斜の有無で残留応力の有無として記載しているが、裁断する場合に発生する実質残留応力がゼロとなることは無い。従って本発明の効果としては裁断によりフィルム部材72の端部で発生する残留応力の高いほうをスターリング機関の膨張側に設けることと同じ意味を持つと解釈可能である。また、意図的にフィルム部材の切断時に残留応力の高くなる側と低くなる側があるようにフィルムを切断し、残留応力の高い方をスターリング機関の膨張側に設けることも可能である。
In the present embodiment, the cutting method of the
また本実施形態では大量生産向けに原反の樹脂フィルムから巻芯への巻きつけまで一貫しで作成する例を示しているが、各工程に分けて製造する場合においても同様な効果が得られることは明らかである。 Further, in this embodiment, an example of consistently creating from a raw resin film to a winding core for mass production is shown, but the same effect can be obtained when manufacturing by dividing into each process. It is clear.
本発明は、スターリング機関全般に特にスターリングサイクルを用いた冷凍機器に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for refrigeration equipment using a Stirling cycle in particular for Stirling engines.
1 スターリング機関
8 フィルム樹脂原反
10、11 シリンダ
12 ピストン
13 ディスプレーサ
20 リニアモータ
40 高温側伝熱ヘッド
41 低温側伝熱ヘッド
45 圧縮空間
46 膨脹空間
70 再生器
71 巻芯
72 フィルム部材
73 樹脂フィルム巻回積層体
74 突起
100 再生器形成装置
101 突起形成装置
113 フィルムフィーダ
120 スリッター装置
121 上刃
122 下刃
116 巻き取り装置
DESCRIPTION OF
Claims (6)
並設された複数の切刃によって樹脂フィルム原反から複数の帯状のフィルム部材を裁断する裁断工程と、
前記樹脂フィルム原反または前記フィルム部材に突起を形成する突起形成工程と、
前記突起が形成された前記フィルム部材を筒状の巻芯に巻回する巻回工程とを備え、
前記切刃の刃先は前記樹脂フィルム原反に垂直な垂直面と、前記垂直面に対して傾斜して形成される傾斜面とを有して尖鋭に形成され、複数の前記切刃の前記傾斜面が平行に配置されることを特徴とするスターリング機関用再生器の製造方法。 In a method of manufacturing a regenerator for a Stirling engine, which is arranged in a gas passage having an annular cross section provided between a compression space and an expansion space of a Stirling engine and transfers heat to and from a working gas flowing through the gas passage. ,
A cutting step of cutting a plurality of strip-shaped film members from the resin film original fabric by a plurality of cutting blades arranged in parallel;
A protrusion forming step of forming protrusions on the resin film original fabric or the film member;
A winding step of winding the film member on which the protrusion is formed around a cylindrical core;
The cutting edge of the cutting blade has a vertical surface perpendicular to the original film of the resin film and an inclined surface formed to be inclined with respect to the vertical surface, and is sharply formed, and the inclination of a plurality of the cutting blades A method of manufacturing a regenerator for a Stirling engine, wherein the surfaces are arranged in parallel.
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